Lohnt sich Kraft-Wärme-Kopplung im Krankenhaus?

Transkript

1 Workshop Kraft-Wärme-Kopplung in Krankenhäusern Lohnt sich Kraft-Wärme-Kopplung im Krankenhaus? - Und was muss man beachten? Dipl.-Phys.Ing.

2 Othmar M. Verheyen Fakultät für Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik Prof. Dr. rer. nat. Angelika Heinzel Entwicklung von Materialien und Komponenten von Membran-Brennstoffzellen Reformerentwicklung Test von Peripheriekomponenten Design, Aufbau und Optimierung von Brennstoffzellen-Systemen Systemsimulationen Entwicklung von Hard- und Software zur Systemsteuerung Energetische Ist-Analysen Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen nach VDI 2067 Machbarkeitsstudien Folie 2

3 Gründung des B.KWK am Gründungsmitglieder, darunter industrielle Anlagenbetreiber, Stadtwerke, Anlagenhersteller, Planungs-, Beratungs- und Finanzdienstleister, Energieagenturen, Gewerkschafter, Umweltverbände und wissenschaftliche Institute. Folie 3

4 Gründung des B.KWK am Gründungsmitglieder, darunter industrielle Anlagenbetreiber, Stadtwerke, Anlagenhersteller, Planungs-, Beratungs- und Finanzdienstleister, Energieagenturen, Gewerkschafter, Umweltverbände und wissenschaftliche Institute. Präsidium (seit ) Präsident: Dr. Dieter Attig, Stadtwerke Saarbrücken (m.) Vize-Präsidenten: Dr. Edmund Baer, Stadtwerke Duisburg (r.) Engelbert Giesen, BTB Berlin (l.) Prof. Dr. Klaus Traube, Oberursel (Porträt) Geschäftsführer: Adi Golbach, Geschäftsstelle in Berlin Folie 4

5 Mitgliederentwicklung Seit März 2009: Projektgruppe Klein-BHKW in der Gebäudetechnik Folie 5

6 Breites Bündnis für das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung Folie 6

7 Motivation Ist-Analyse Agenda Maßnahmen zur Energieeinsparung Versorgungskonzept Kraft-Wärme- Kopplung Wirtschaftlichkeit Erfolgskontrolle Potenziale Folie 7

8 Motivation Ist-Analyse Agenda Maßnahmen zur Energieeinsparung Versorgungskonzept Kraft-Wärme- Kopplung Wirtschaftlichkeit Erfolgskontrolle Potenziale Folie 8

9 Motivation (1) - Energiewirtschaft Verfügbarkeit Importabhängigkeit Energiepreisentwicklungen Klimawandel - häufigere Wetterextreme (Stürme) - regionale Auswirkungen (Arktis) Folie 9

10 Wirtschaftliche Situation deutscher Krankenhäuser (Motivation 2) aus: Michael Burkhart, Wolfgang Treffler, PwC, 14. Mai 2009 Folie 10

11 Ein riskantes Experiment der Menschheit CO2 - Konzentration in der Atmosphäre in ppm (Quelle: UNEP/Grid Arendal - vital climate graphics, Darstellung Germanwatch, Christoph Bals und eigene Darstellung) Bandbreite verschiedener IPCC-Szenarien bis ppm Folie 11

12 Ein riskantes Experiment der Menschheit CO2 - Konzentration in der Atmosphäre in ppm (Quelle: UNEP/Grid Arendal - vital climate graphics, Darstellung Germanwatch, Christoph Bals und eigene Darstellung) Bandbreite verschiedener IPCC-Szenarien bis ppm Vorindustrieller Wert: 280 ppm Folie 12

13 Ein riskantes Experiment der Menschheit CO2 - Konzentration in der Atmosphäre in ppm (Quelle: UNEP/Grid Arendal - vital climate graphics, Darstellung Germanwatch, Christoph Bals und eigene Darstellung) Bandbreite verschiedener IPCC-Szenarien bis ppm Heutige Konzentration 380 ppm Vorindustrieller Wert: 280 ppm Folie 13

14 Ein riskantes Experiment der Menschheit CO2 - Konzentration in der Atmosphäre in ppm (Quelle: UNEP/Grid Arendal - vital climate graphics, Darstellung Germanwatch, Christoph Bals und eigene Darstellung) Bandbreite verschiedener IPCC-Szenarien bis ppm 2 Grad-Ziel ppm Heutige Konzentration 380 ppm Vorindustrieller Wert: 280 ppm Folie 14

15 Quelle: Folie 15

16 Ausdehnung der arktischen Eisfläche im Februar ( ) Folie 16

17 Motivation Ist-Analyse Agenda Maßnahmen zur Energieeinsparung Versorgungskonzept Kraft-Wärme- Kopplung Wirtschaftlichkeit Erfolgskontrolle Potenziale Folie 17

18 Ist-Analyse Verbrauch und Kosten der einzelnen Energieträger werden mittels statistischer Verfahren analysiert. Ergänzend werden Verbrauchsmessung (z.b. Strombezug über 2 Wochen) vorgenommen. Aus den belastbaren Daten werden Kennzahlen ermittelt (Benchmarking). Schwachstellenanalyse mit abgeleiteten Sofortmaßnahmen. Folie 18

19 Gasverbrauch Quelle: FWU Ingenieurbüro, Dresden Folie 19

20 Tagesgang Strom (Viertelstundenwerte) Folie 20 kw 00:15 01:30 02:45 04:00 05:15 06:30 07:45 09:00 10:15 11:30 12:45 14:00 15:15 16:30 17:45 19:00 20:15 21:30 22:45 23:59

21 Messungen Stromverbrauch Messung in Niederspannungsverteilung mit Stromzangen und Spannungsabgriff. Achtkanalmessung pro Gerät (je Kanal dreiphasige Aufzeichnung, 1-Min.-Intervall. Folie 21

22 Messungen Wärmemengen (Ultraschalldurchflussmessung) Quelle: Carsten Beier, UMSICHT Folie 22

23 Tagesgang Strom (Minutenwerte) Folie 23

24 Wärmebedarf über Außentemperatur 4,0 3,5 3,0 2,5 MW 2,0 1,5 1,0 0,5 Grundbedarf Brauchwarmwasser 0,0-15,0-10,0-5,0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 C Folie 24

25 Jahresdauerlinie Heizwärme 4 3,5 3 2,5 2 MW 1,5 1 0, h/a Folie 25

26 Jahresdauerlinie Heizwärme 4 3,5 3 2,5 2 MW 1,5 1 0, Quelle kl. Bild: J. Voigt, Sokratherm, 2009 h/a Folie 26

27 Dampfverbrauch (Stundenmittelwerte) Bettenhaus Wäscherei Mangel Reindampf Summe Dampf kg/h :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Folie 27

28 Benchmarking - Kennwerte min. Durchschnitt max. Wärme kwh/(bett*a) Strom kwh/(bett*a) nach: Lothar Heyne 1995, 75 Krankenhäuser D, A, CH Betten Wärme kwh/(bett*a) ages 1996, 229 Krankenhäuser (insg.) min. Durchschnitt max. Wärme kwh/(bett*a) Strom kwh/(bett*a) Energieagentur NRW 1997, Krankenhäuser Energiekosten 4,35 pro Patient und Tag aus: Umweltbericht 2001 Rhön-Klinikum AG Folie 28

29 Motivation Ist-Analyse Agenda Maßnahmen zur Energieeinsparung Versorgungskonzept Kraft-Wärme- Kopplung Wirtschaftlichkeit Erfolgskontrolle Potenziale Folie 29

30 Maßnahmen zur Energieeinsparung Energiemanagement Beispiel Klimaanlagen (Ventilatoren, Antriebe) Beleuchtung Stand-by-Verbrauch senken (Mitwirkung der Angestellten) Wärmedämmung (Gebäude, Rohrleitungen) Heizung (geregelte Umwälzpumpen, hydraul. Abgleich) Klimatisierung (freie Außenluftkühlung) Beispiel u.v.a.m. Folie 30

31 Energiemanagement ZLT, GLT Einsparpotenzial ca % Quelle: FWU Ingenieurbüro GmbH, Dresden, Energie- und Gebäudemanagement als Instrument zur Kostensenkung in Krankenhäusern, eigene Darstellung Quelle: Dipl.-Ing. Apel, aus: VDI-Bericht Nr. 1401, 1998 Folie 31

32 Klimatisierung MD 21 kw 6 C MG MF ME MA/MB 36 kw 84 kw 130 kw? kw 16 C Kondensator 20 C Verdampfer 12 C Gebäudelüftung? kw Folie 32

33 Klimatisierung 3 Glycoler mit je 10 Ventilatoren 253 kw 253 kw 253 kw MD 21 kw 6 C MG MF ME MA/MB 36 kw 84 kw 130 kw? kw 16 C Kondensator 20 C Verdampfer 12 C Gebäudelüftung? kw Folie 33

34 Einsparpotenzial Freie Kühlung Folie 34

35 Motivation Ist-Analyse Agenda Maßnahmen zur Energieeinsparung Versorgungskonzept Kraft-Wärme- Kopplung Wirtschaftlichkeit Erfolgskontrolle Potenziale Folie 35

36 Optimiertes Versorgungskonzept mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Gleichzeitige Erzeugung und zeitnahe Nutzung von Strom und Wärme Leider kennen 85 % der Bevölkerung den Begriff KWK nicht. Folie 36

37 Situation in Krankenhäusern 12 % eigene Wäscherei 80 % eigener Steri 91 % eigene Küche Folie 37

38 Situation in Krankenhäusern 12 % eigene Wäscherei 80 % eigener Steri 91 % eigene Küche nur 9 % eigene KWK-Anlage Quelle: KEA BW Folie 38

39 Adas asfasf Folie 39

40 BHKW Folie 40

41 Schaltbild BHKW Vorlauf Motor Abgas- Wärmeaustauscher G Ölkühler Generator Kühlwasser- Wärmeaustauscher Rücklauf Folie 41

42 Effizienz von KWK Kennzahlen der Kraft-Wärme- Kopplung KWK Folie 42

43 Rahmenbedingungen für KWK Gute technische Bedingungen im Krankenhaus Ganzjähriger Wärmebedarf (Grundlast + Kälte) Strombedarf unabhängig von der Jahreszeit Günstiges Verhältnis von Strom und Wärme Erhöhte Versorgungssicherheit Folie 43

44 Rahmenbedingungen für KWK Gute technische Bedingungen im Krankenhaus Ganzjähriger Wärmebedarf (Grundlast + Kälte) Strombedarf unabhängig von der Jahreszeit Günstiges Verhältnis von Strom und Wärme Erhöhte Versorgungssicherheit Hindernisse für den Einsatz von KWK Energiewirtschaftliche Veränderungen konkurrierende Techniken (Fernwärme, Abgasnutzung) Betriebsauswirkungen und -risiken unbekannt Motivation fehlt Folie 44

45 Auslegung BHKW - Wärme/Strom Quelle: (links) Buderus, Wann lohnt sich ein Blockheizkraftwerk, Auslegung Jahresdauerlinie Wärme (rechts) eigenes Programm, Auslegung Lastgang Strom Folie 45

46 Lastprofil Wärmebedarf mit AKM Wärmebedarf Kältebedarf Wärme für AKM Summenkurve MW Außentemperatur [ C] Folie 46

47 Motivation Ist-Analyse Agenda Maßnahmen zur Energieeinsparung Versorgungskonzept Kraft-Wärme- Kopplung Wirtschaftlichkeit Erfolgskontrolle Potenziale Folie 47

48 KWK-Einflussfaktoren Allgemein für f r alle Brennstoffe und Anlagentypen Brennstoffkosten (-verfügbarkeit) Erlöse für Strom und Wärme Investitions- und Betriebskosten Vermarktung (Strom - freier Netzzugang - gesicherte Lieferung Wärme - Anschlusszwang) Wettbewerbsverzerrung (Subventionen, gesetzlicher Rahmen (Emissionshandel)) Folie 48

49 Vergleichsübersicht Strompreise deutscher Krankenhäuser 2005 Quelle: Dr. R. Kopetzky, ennovatis GmbH Folie 49

50 Vergleichsübersicht Strompreise deutscher Krankenhäuser ,02 ct/kwh netto 10,73 ct/kwh brutto Quelle: Dr. R. Kopetzky, ennovatis GmbH Folie 50

51 Wärmepreisäquivalenz versteuert Brennstoff H s /H i Kessel Nutzungsgrad 93 % Wärme gleicher Wert / Wärmegutschrift steuerfrei Brennstoff H s /H i BHKW Wärme Strom Folie 51

52 Berechnungsgrundlagen Strom Baseload-Strom EEX Leipzig Üblicher Preis gemäß KWK-Gesetz /MWh , Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q , Universität Duisburg-Essen, Quelle: w w.eex.com/de/ Folie 52

53 Berechnungsgrundlagen Strom Baseload-Strom EEX Leipzig Üblicher Preis gemäß KWK-Gesetz Bezug Krankenhausstrom 40 /MWh 30 9,02 ct/kwh 41,52 20 Einspeisung ins Netz 50,09 /MW 1 verm. NNE KWK-Bonus nach KWKG ,5 ct/kwh Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 2,1 ct/kwh , Universität Duisburg-Essen, Quelle: w w.eex.com/de/ 1 Durchschnittlicher Wert über 4 Jahre 3. Q./ Q./2009 Folie 53

54 BHKW-Kenndaten 774 kw-modul elektr. Leistung 774 kw (41 %) Therm. Leistung 752 kw (40 %) Brennstoffleistung 1882/2091 kw (H i /H s ) Investition 1 z. B. Deutz TCG 2016 V /kw Angesetzte Investition Gaspreis Kessel Gaspreis - BHKW 4,15 ct/kwh H s 3,60 ct/kwh H s 1 nach Formel BHKW-Kenndaten 2005 Stromkennzahl 2 incl. 2 % Preissteigerungsrate, aufgerundet 1,03 Folie 54

55 Wirtschaftlichkeitsrechnung BHKW nach VDI kw el.; Gas 4,15 ct/kwh; Strom 9,02 ct/kwh; EEX (Durchschnitt) 50,087 /MWh Einspeisung Netz Eigennutzung Einspeisung mit Bonus Eigennutzung mit Bonus G ew inn/v erlust [E uro] Vollbenutzungsstunden Folie 55

56 Wirtschaftlichkeitsrechnung BHKW nach VDI kw el.; 6000 Vh; Strom 9,02 ct/kwh; EEX (Durchschnitt) 50,087 /MWh Einspeisung Netz Eigennutzung Einspeisung mit Bonus Eigennutzung mit Bonus Gewinn/Verlust [Euro] , ,9 4,4 4,9 5, Vollbenutzungsstunden Folie 56

57 Umsetzung durch Contracting-Dienstleister 1. Ist-Energiebedarfssituation 2. Berechnung der Einsparpotentiale 3. Entwicklung der Energiesparstrategie 4. Der Contractor gibt eine Garantiezusage über Einsparpotentiale 5. Eingesparte Kosten finanzieren die Investitionen 6. Nach Ende der Vertragslaufzeit (z.b. 10 Jahre) Übergabe der Anlage an den Kunden; dann auch Kostenreduktion beim Kunden 7. Schnittstelle: Einspeisung der Nutzenergie in die Verteilnetze (Wartung des Heizsystems fallen in den Aufgabenbereich der Klinik) 8. Vertragliche Fixierung (Abschluss eines Wärmelieferungsvertrages) Aus: PwC, Krankenhaussektor Deutschland - Bestandsaufnahme, Situationsbericht der Krankenhäuser an Hand der Jahresabschlüsse bis 2008, Vortrag Michael Burkhart, Wolfgang Treffler, 14. Mai 2009 Folie 57

58 Kostenverlauf Einspar-Contracting Aus: Vortrag Rüdiger Brechler, EnergieAgentur.NRW, Freiburg, Folie 58

59 Motivation Ist-Analyse Agenda Maßnahmen zur Energieeinsparung Versorgungskonzept Kraft-Wärme- Kopplung Wirtschaftlichkeit Erfolgskontrolle Potenziale Folie 59

60 Erfolgskontrolle Ständige Kontrolle ist wichtig, um den Erfolg von Maßnahmen beurteilen zu können. um Fehlentwicklungen rechtzeitig erkennen zu können. um weitere Handlungsfelder bewerten zu können. um evtl. Daten für Energie- oder Umweltberichte und für Benchmarking-Vergleiche zur Verfügung zu haben. Folie 60

61 BHKW (90 kw) in einem Krankenhaus ,34 Leistung / kw Gaseinsatz Elektrische Leistung (Modul 1+2) Elektrischer Nutzungsgrad :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 0,32 0,3 0,28 0,26 0,24 Nutzungsgrad / - 0,22 0,2 Folie 61

62 Ungewollte Abschaltungen , :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Leistung / kw 02:00 Gaseinsatz Elektrische Leistung (Modul 1+2) Elektrischer Nutzungsgrad 0,32 0,3 0,28 0,26 0,24 Nutzungsgrad / - 0,22 0,2 Folie 62

63 Störungsursache Folie 63 Rücklauftemperatur C 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00

64 Motivation Ist-Analyse Agenda Maßnahmen zur Energieeinsparung Versorgungskonzept Kraft-Wärme- Kopplung Wirtschaftlichkeit Erfolgskontrolle Potenziale Folie 64

65 2.300 Krankenhäuser in Deutschland Einsparpotenzial in Kliniken: Deutschland: Österreich: Niederlande: 20 % - CADDET-Report 30 % - EnergieAgentur.NRW 20 % - E.V.A. Energieagentur 44 % - CADDET-Report Folie 65

66 Volkswirtschaftliches Potenzial 3 % der Ausgaben im Krankenhaus sind Energiekosten nach: Energieagentur NRW aus: Eckdaten der Krankenhausstatistik 2000 (Deutsche Krankenhausgesellschaft vom ) Krankenhausausgaben 2000 insg. 53 Mrd. Energiekosten 2003: 1,5 Mrd. nach: VIAMEDICA ca. 1,6 Mrd. Energiekosten ca. 320 Mio. Einsparung (20 %) Folie 66

67 Volkswirtschaftliches Potenzial 2,5 % der Ausgaben im Krankenhaus sind Energiekosten Krankenhausausgaben 2006 insg. 66,2 Mrd. Quelle Grafik: Rationelle Energienutzung im Krankenhaus, Landesinitiative Zukunftsenergien NRW, ,65 Mrd. Energiekosten (30 %) ca. 495 Mio. Einsparung Folie 67

68 5000 BHKW (1998/99) KWK in 13, 3 % der Krankenhäuser 6% 300 BHKW Deponien 6% sonstige 21% Schwimmbäder 8% Wohngebäude 10% Kläranlagen 10% Gewerbe u. Industrie 25% öffentl. Gebäude 14% Platz für 1000 BHKW (ca Krankenhäuser abzgl. BHKW, FW) Angenommene durchschnittliche Leistung 500 kw und 7000 VBh Leistung 500 MW Arbeit 3,5 TWh Invest ca. 40 Mio. Folie 68

69 Integration von KWK-Anlagen Kraft-Wärme-Kopplung - auf die richtige Auslegung kommt es an! 1. Ist-Analyse 2. Einsparpotenzial nutzen 3. KWK-Anlage auslegen Wirtschaftlich, da für Krankenhäuser die Rahmenbedingungen stimmen Ökologisch immer vorteilhaft Folie 69

70 KWK in Krankenhäusern Fazit Große Anlagen in Krankenhäusern sind EFFIZIENT (Stromkennzahl) und markteingeführt Optimale Lastkurven für BHKW KWKG neu: Bonus für eigengenutzten Strom! Gewissenhafte Auslegung (war immer schon wichtig), evtl. mit Kälteerzeugung aus BHKW-Wärme Finanzierungshilfen (KfW) - Contracting - nutzen Folie 70

71 Vielen Dank fürs Zuhören! Mehr Informationen auf B.KWK-Newsletter kostenlos abonnieren Folie 71